У сузір'ї засновницьких наукових шкіл КПІ, що змінювали світ матеріалів, школа видатного металознавця, лауреата Державних премій, заслуженого діяча науки і техніки України, директора КПІ в 1952 – 1955 роках, академіка НАНУ В.Н. Гриднєва і сьогодні чинить благодійний вплив на науково-освітню сферу України, пов'язану з матеріалознавством.
Про наукову школу НН ІМЗ ім. Є.О. Патона "Фізичне матеріалознавство і технології низькорозмірних систем" та її нинішню діяльність під керівництвом члена-кореспондента НАНУ С.І. Сидоренка в ІМЗ ім. Є.О. Патона наша газета опублікувала нарис (див. №9-10 від 8 березня 2024 р.). Ця школа і тепер активно розвивається у відповідності з концептуальними засадами низькорозмірного матеріалознавства: досліджуються структурно-фазові стани з новими властивостями, на цій основі розробляються і технології функціональних градієнтно-шарових матеріалів. Роботи її вчених сім разів було відзначено стипендіями КМУ, двома стипендіями Президента України, Національною премією України імені Бориса Патона. Сьогодні її можна привітати з наступним етапом визнання: її представники – д.ф.-м.н. І.А. Владимирський та д.ф.-м.н., проф. С.М. Волошко сформували творчий колектив, який отримав фінансування від НФДУ за конкурсом "Передова наука в Україні 2026 – 2028" для виконання проєкту "Дифузійне формування нанорозмірних антиферомагнітних матеріалів Mnх(Pd, Pt, Ir) з підвищеною термічною стабільністю та ефект обмінної взаємодії у функціональних структурах на їх основі" обсягом більше 6 млн грн.
У межах цього проєкту команда вчених розробляє інноваційні методи створення надтонких металевих композицій з шарами завтовшки у кілька десятків атомів, які мають унікальні характеристики. Ці матеріали є критично важливими для створення енергоефективної пам'яті нового покоління (MRAM) та сенсорів, здатних працювати за екстремальних умов експлуатації.
У складі творчого колективу, крім І.А. Владимирського та С.М. Волошко, як досвідчені науковці – член-кореспондент НАНУ С.І. Сидоренко, проф. Ю.М. Макогон, доц. Т.І. Вербицька, так і молоді вчені – кандидати наук, стипендіати Кабінету Міністрів України А.К. Орлов та І.О. Круглов, стипендіат Президента України аспірант Р.В. Педань. Залучення талановитої молоді демонструє спадкоємність наукової школи, її впевненість в майбутньому.
Кореспондент "КП" зустрівся із керівниками і учасниками творчого колективу, щоб з'ясувати деталі, які, на думку редакції, можуть становити інтерес для академічного середовища вищої школи України.
– Вітаю з перемогою в конкурсі НФДУ! Це серйозне досягнення, особливо з такою фундаментальною темою. Розкажіть, будь ласка, докладніше про ці дослідження.
– І.А. Владимирський: Проєкт присвячено створенню наукових основ дифузійного формування термостабільних шаруватих антиферомагнітних (АФМ) впорядкованих нанорозмірних матеріалів Mn/Me (Ме – Pd, Pt, Ir) із використанням підходу, який пропонується нами вперше. Він ґрунтується на таких принципах керування швидкістю дифузії, як комбінація іонного та термічного впливів, зміни конфігурації і кількості шарів, розподілу механічних напружень, варіації розміру кристалітів, а також додавання шарів легуючих елементів.
Ми вважаємо, що такий підхід дозволить сформувати наперед заданий (впорядкований) структурно-фазовий стан АФМ-матеріалу за відносно низьких температур термічної обробки. І це є великою перевагою, оскільки забезпечуються "більш щадні" умови для елементів функціонального пристрою, що формується, і, відповідно, зменшується ймовірність деградації його структури та властивостей.
Зокрема припускається, що додавання шарів Au відіграватиме регулюючу роль в формуванні механічних напружень внаслідок різниці параметрів кристалічної ґратки та температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів шарів.
Завдання для нас, фізиків-матеріалознавців, підібрати такі комбінації шарів металів із додатковим шаром Au, щоб ця регулююча роль здійснювалася в потрібному напрямі і була найбільш сильною.
– Терміни на кшталт "обмінна взаємодія" або "дифузійне формування" в назві проєкту звучать для нефахівців як заклинання. Щоб пояснити це аудиторії політехнічного вишу (приладобудівникам, програмістам, енергетикам), чи могли б ви використати якусь метафору? Скажімо, "архітектура на атомному рівні"?
– І.А. Владимирський: Розповідаючи про проєкт, маємо говорити про новий етап розвитку мікроелектроніки – спінову електроніку або спінтроніку, пристрої якої у своїй структурі мають нанорозмірні шари магнітних матеріалів. Щоби хоча б спрощено охарактеризувати спінтроніку, зазначимо, що якщо звичайна електроніка використовує лише рух електрона (протікання електричного струму), то спінтроніка використовує ще і його "обертання" (спін). Завдяки цьому, можливостей керування станами функціональних елементів, а, отже, і параметрами кінцевих пристроїв, стає значно більше, за рахунок чого ці пристрої стають швидшими та меншими.
Спінтроніка – це не альтернатива звичайній електроніці. Це її еволюція, її майбутнє. Спінтроніка використовує спін електрона як магнітну мітку, що дозволяє робити пристрої швидшими, компактнішими та, що найважливіше, енергонезалежними.
Тому, дійсно, можна сказати, що ефекти спінтроніки – це елементи "архітектури на атомному рівні".
Продовжуючи метафору, уявімо собі, що ми будуємо багатоповерховий будинок, в якому кожен поверх має товщину всього в кілька десятків атомів. Товщина металевих шарів, з якими ми працюємо, в тисячі разів менша за людську волосину. Наше завдання – поєднати, змішати певні метали (наприклад, марганець з платиною чи паладієм) так, щоб вони у цих тонких шарах утворили особливу впорядковану структуру, де кожен атом займає своє чітко визначене місце. Саме така структура забезпечить досягнення бажаних антиферомагнітних властивостей, які в результаті й визначають можливість використання цих шарів у пристроях майбутнього.
Зазвичай для цього потрібні високі температури, які ускладнюють технологічні процеси створення елементів. Ми ж застосовуємо метод "розумного змішування" (дифузії). Ми не тільки нагріваємо матеріал, але і бомбардуємо його іонами та додаємо тонкі прошарки (наприклад, золота), що діють як своєрідний каталізатор, змушуючи атоми швидше займати саме ті позиції, які потрібні.
Що стосується "ефекту обмінної взаємодії", то спрощено можна сказати, що це те, що змушує "різні поверхи" структури поводити себе під дією магнітного впливу як єдине ціле.
– Що це дасть науці в фундаментальному значенні цього слова?
– С.М. Волошко: Результати нашого проєкту дозволять отримати відповідь на запитання: яким чином можна забезпечити впорядкування багатокомпонентного низькорозмірного матеріалу – змусити атоми різних металів зайняти конкретні, необхідні розробникам позиції у його структурі – за відносно невисоких температур. Це фундаментальні знання про те, як можна конструювати матеріали, коли розмір виробів з них наближається до меж наших уявлень про матеріальний світ.
Ці результати сприятимуть подальшому розвитку фундаментальних знань у сфері фізики магнітних явищ і низькорозмірного матеріалознавства, відкриттю нових закономірностей та ефектів, стануть вихідними положеннями для формування нових концепцій, принципів і методів створення антиферомагнетиків нового покоління з підвищеною термічною стабільністю та покращеними функціональними властивостями з широкими перспективами їхнього практичного використання у майбутніх інноваційних технологіях виробництва елементної бази спінтроніки.
– Чи має проєкт практичну цінність для промисловості?
– С.М. Волошко: Сьогодні електроніка працює на межі своїх можливостей. Наші результати розширять їх і стануть фундаментом для: створення елементів енергонезалежної пам'яті MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory) – такі елементи дозволяють не втрачати дані під час вимкнення живлення і будуть більш енергоощадливими; розробки надчутливих сенсорів для медичного обладнання, систем навігації та інших застосувань; підвищення термостабільності пристроїв, які зможуть працювати у більш жорстких умовах без загрози втрати інформації, оскільки розроблені нами матеріали не змінюють своєї структури та властивостей за умов підвищення температури.
Це важливо саме тепер тому, що створюючи такі новітні матеріали, ми фактично формуємо елементну базу, якої сьогодні гостро потребують технології спінтроніки.
Це також важливо тому, що створення технічно-актуальних антиферомагнітних плівкових наноматеріалів для широкого кола практичних застосувань спінтроніки дозволить скоротити відставання України від розвинених держав світу в галузі низькорозмірних технологій.
– Назва проєкту є доволі складною. Що за нею – створення нових металевих матеріалів чи нових пристроїв?
– І.А. Владимирський: Ми створюємо "магнітні сендвічі" атомної товщини, в яких кожен шар виконує власне завдання. Наша інновація полягає в тому, як саме ми змушуємо атоми різних елементів займати чіткі визначені позиції у цих шарах.
– Ви згадуєте про використання золота та іонне бомбардування – справжня алхімія ХХІ століття! Що це за технологічна кухня?
– С.М. Волошко: У наносвіті звичайні закони працюють інакше, ніж в світі масивних матеріалів. Щоб "переконати" атоми, наприклад, марганцю та платини зайняти місця в потрібному порядку, нам потрібна допомога – іони, що бомбардують поверхню і таким чином "прокладають стежку" для цих атомів. Допомогою є й шари золота, які викликають додаткові напруження, які, в свою чергу, прискорюють рух атомів. Це дозволяє отримувати бажану структуру матеріалу за значно нижчих температур, ніж зазвичай, і в такий спосіб економити енергію та зберігати цілісність нанорозмірного елементу. А це, в свою чергу, визначає стабільність у процесі експлуатації. Наша технологія робить низькорозмірні структури "життєздатнішими".
– Чому термічна стабільність, "проблема перегріву", про яку ви кажете, є такою критичною? Хіба сучасні комп'ютери не охолоджуються?
– І.А. Владимирський: Річ у тім, що в результаті зменшення розміру функціональних елементів пристроїв до нанорозмірних масштабів навіть кімнатної температури може виявитися достатньо для втрати стабільності. До цього додається й те, що пристрій в процесі роботи може нагріватися навіть попри охолодження. Наш проєкт спрямовано на розробку таких матеріалів і структур, які б дозволили подолати ці труднощі.
– Чи можемо ми зазирнути у майбутнє, щоб побачити результати вашого проєкту в реальних гаджетах, і яке значення це має для економіки України? Можливо, нам щось хочуть сказати молоді вчені як учасники проєкту, бо в їхніх руках майбутнє фізичного матеріалознавства, і в тому числі, матеріалів для спінтроніки?
– Р.В. Педань: Хоча ми поки що на етапі створення наукового фундаменту технології та прототипів, але "реальні гаджети" з розробленими нами матеріалами не є справою неосяжного майбутнього. Ми вже на порозі змін. Світовий ринок магнітної пам'яті зростає на 25-30% щороку. Україна має належати до клубу держав, які створюють інтелектуальну власність для технологій ближчого майбутнього, а не просто їх споживають.
У цьому і проявляється внесок проєкту в українську науку та інновації і, врешті-решт, в економіку України.
– На завершення хочемо побажати творчому колективу фізиків-матеріалознавців НН ІМЗ ім. Є.О. Патона успішного виконання проєкту та його впровадження у промислове виробництво в Україні і в Європі.